（通信与信息系统专业论文）几种新型液晶显示技术及应用研究.pdf

几种新型液晶显示技术及应用研究 s o m ee m e r g i n gl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y sa n da p p l i c a t i o n s 博 士后姓名曹华雨 流动站( 一级学科) 名称 信息与通信工程 专业( 二级学科) 名称 通信与信息系统 研究工作起始时间2 0 0 7 年7 月9 日 研究工作期满时间2 0 0 9 年7 月9 日 北京邮电大学人事部( 北京) 2 0 0 9 年7 月 内容摘要 随着应用领域的扩大，除了传统的液晶显示技术之外，出现了很多新型的液晶 显示技术，由于这些技术还处于研发阶段，无法预料这些显示技术还将会带来哪些 应用。本论文主要讨论了双稳态、柔性和视角可变等新型液晶显示技术及应用。 双稳态液晶显示器是一种存储型的显示器，其特性是在没有驱动的情况下，保 存当前的显示状态。这种特性使得显示器件无需不断刷新显示信息，因此功耗很低。 本文比较分析了不同的双稳态显示技术，简述了胆甾型( c h ) l c d 的工作原理，并 给出了c h l c d 的一个应用实例，包括其系统框架及硬软件设计流程。 柔性显示器具有轻、薄、坚固等特点，外观对最终用户及产品设计师具有吸引 力。本文简要介绍了柔性显示技术及主要技术挑战，详细介绍了柔性超扭曲向列型 ( s t n ) l c d 的可靠性研究及其在柔性腕表的装配制造中的问题。 近几年，随着人们越来越重视个人隐私的安全，对于视角可变显示技术的需求 将越来越大。本文主要研究了基于宾主型( g h ) 液晶的视角可变器件，包括其结构 设计、工作原理及样品测量结果。 关键词：液晶显示，双稳态显示，柔性显示，视角可变显示 h i a b s t r a c t w i t hr a p i dg r o w t ho ft h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( l c d s ) ，t h e r ep r e s e n tm a n yk i n d so f e m e r g i n gt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h el c d sa n d 也e yw o u l db r i n gm o r eu n e x p e c t e d a p p l i c a t i o n s a tp r e s e n t , t h e s ee m e r g i n gd i s p l a yt e c h n o l o g i e sa r es t i l li nt h eb e g i n n i n go f t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nt h i sr e p o r t , w em a i n l yd i s c u s saf e we m e r g i n gd i s p l a y t e c h n o l o g i e sa n de x p l o r e s o m ea p p l i c a t i o n s t h e b i gd i f f e r e n c eb e t w e e nb i s t a b l ea n do t h e rd i s p l a yt e c h n o l o g i e si st h ec o n c e p t o f b i s t a b i l i t y i nab i s t a b l ed i s p l a y , i n d i v i d u a lp i x e l sa r es t a b l ei nb o t h ”o n ”a n d o f f s t a t e s 8 0t h a ta l li m a g eo n c ed r a w no nt h ed i s p l a yw i l lr e m a i nt h e r ew i t h o u tt h en e e dt op o w e r t h ed i s p l a y t h e r e f o r e ，b i s t a b i l i t ya l l o w sf o rad i s p l a y 诵t 1 1e x t r e m el o wp o w e r c o n s u m p t i o n i n t h i sr e p o r t , d i f f e r e n tb i s t a b l el c d sa r ed i s c u s s e da n dw i t ht h e a p p l i c a t i o n o ft h ec h o l e s t e r i c ( c h ) l c d ，ab l u e t o o t h - b a s e dd i s p l a ys y s t e mi sp r o p o s e d w i t ht h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i n n e s s ，l i g h t w e i g h t , r u g g e d n e s s ，a n da b i l i t yt o c o n f o r mt ot h es h a p e so ft h ed e v i c e s ，f l e x i b l ed i s p l a y sa t t r a c tg r e a ti n t e r e s te s p e c i a l l yf o r m o b i l ea p p l i c a t i o n s i nt h i sr e p o r t , t h ec h a l l e n g e si nt h ef l e x i b l ed i s p l a yt e c h n o l o g i e sa r e d i s c u s s e da n dw i t ht h ea p p l i c a t i o no ff l e x i b l es u p e rt w i s t e dn e m a t i c ( s t n ) l c d ，aw r i s t d e v i c ei sp r o p o s e d w i t ht h ep r o g r e s si nl c dt e c h n o l o g i e s ，t h ed i s p l a yh a sa c h i e v e daw i d ev i e w i n g a n g l eu pt o8 5 。h o w e v e r , t h i sh a s a l s ob r o u g h tt h ep r i v a c yc o n c e r n , p a r t i c u l a r l yf o rt h e m o b i l em u l t i m e d i ad e v i c e sw h e nu s e di np u b l i cp l a c e s h e n c e ，t h e r ei sad e s i r ef o ra d i s p l a yt e c h n o l o g yw h i c hc a nc h a n g et h ed i s p l a yv i e w i n ga n g l ea sn e e d e d i nt h i sr e p o r t , a l la d j u s t a b l et r a n s m i s s i o nc e l l ( a t c ) b a s e do ng u e s th o s t ( g h ) l i q u i dc r y s t a li sp r o p o s e d t or e a l i z et h ev i e w i n ga n g l ec h a n g e sf o rl c d k e y w o r d s ：l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y s ，b i s t a b l ed i s p l a y s ，f l e x i b l ed i s p l a y s ，v i e w i n ga n g l e c h a n g e a b l ed i s p l a y s i v 目录 第一章绪论1 1 1 液晶显示器的典型性能参数1 1 2 液晶显示器的工作原理5 1 3 论文研究内容8 第二章双稳态液晶显示1 0 2 1 引言l o 2 2c h l c d 工作原理11 2 3c h l c d 的应用1 3 2 4 小结1 9 第三章柔性液晶显示2 0 3 1 引言2 0 3 2 柔性显示在腕表( w r i s td e v i c e ) 中的应用2 3 3 3 ，j 、结2 9 第四章视角可变液晶显示3 0 4 1 引言3 0 4 2 基于宾主型液晶的视角可变器件。3 0 4 3 小结4 0 第五章总结与展望4 l 参考文献4 2 致谢4 4 博士后期间发表的论文4 5 v 插图和附表清单 图1 11 象素1 表1 1 一些常见显示器分辨率2 图1 2 对比度3 图1 3l c d 的视角4 图1 4 液晶的种类5 图1 4t n l c d 的工作原理6 图1 5 液晶盒结构示意图6 图1 6 字段型液晶显示器的显示实例7 图1 7 矩阵型液晶显示器的显示实例。7 图1 8 液晶盒制作的粗略流程图8 图2 1 在半螺距中，液晶分子的旋转和螺旋轴的关系l l 图2 2c h l c d 的工作原理1 2 图2 4 扩展屏幕b l u d i s p l a y 的概念l3 图2 5b l u e t o o t h 的拓扑结构1 5 图2 6 系统原理框图1 5 图2 7c 1 1 l c d 及其不加电时静态显示的内容1 6 图2 8c h l c d ( a ) 和蓝牙( b ) 开发板1 6 图2 9 软件框图l7 图3 1 柔性显示的结构剖面图2 l 表3 1 几种常见塑料的特性比较2 l 表3 2 用于柔性显示的电光材料和部分显示制造发展商2 3 图3 2 柔性腕表的概念2 4 图3 3 实验用的柔性s t n l c d - 。2 4 图3 4 三点弯曲结构示意图2 5 图3 5m i s e s 应力分布2 6 图3 6 功能性失效2 6 图3 7 硬件版图设计2 7 图3 8 腕表的机械设计2 8 图3 9 显示屏脱离连接器2 8 图3 1 0 柔性腕表样机的照片2 9 图4 1a t c 的结构示意图31 图4 2 视角可变显示器结构3l 图4 3p 型二向色染料对光的吸收3 2 v i 图4 5a t c 工作原理：c a ) ( b ) 为液晶盒未加电时、( c ) ( d ) 为加电时3 4 图4 6 加电时，a t c 的视角特性3 5 图4 7 宾主液晶盒为4 0 9 m 时，a t c 在不同电压下透过率与角度的关系3 6 图4 8 宾主液晶盒为2 5 9 m 时，a t c 在不同电压下透过率与角度的关系3 7 图4 9 宾主液晶盒为1 5 9 m 时，a t c 在不同电压下透过率与角度的关系3 7 图4 1 0 宾主液晶盒为6 9 m 时，a t c 在不同电压下透过率与角度的关系3 8 图4 1 1 不同液晶盒厚的a t c 在其相应最佳电压下的视角特性3 9 图4 1 2a t c 分别在c a ) 正视( b ) 斜视时的的实物照片4 0 v 第一章绪论 1 1 液晶显示器的典型性能参数【1 ，2 ，3 】 1 1 1 像素和分辨率 一个显示画面由像素( p i x e l ) 组合而成，基本上，每个像素的大小和形状完全 一样，一般的像素是正方形的。画面包含的像素越多，画面越精致，同样的屏幕区 域内能显示的信息也越多，如图1 1 ( a ) 所示的 是由2 4 2 7 个像素组成的，若将 每个像素再细分为2 2 ，则可以4 8 5 4 个像素显示出如图1 1 ( b ) 所示较为精细 的字形，或者如图1 1 ( c ) 显示出四个 。 ( a ) ( b ) 图1 1 像素 ( c ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 的数值是指整个显示器所有可视面积上水平像素和垂直像 素的数量。例如8 0 0 6 0 0 的分辨率，是指在整个屏幕上水平显示8 0 0 个像素，垂直 显示6 0 0 个像素。在显示应用中，会用一些既有的专用术语来表达像素数目的格式， 表1 1 是一些常见显示器分辨率。每个显示器都有自己的最高分辨率，并且可以兼 容其它较低的显示分辨率，所以一个显示器可以用多种不同的分辨率显示。l c d 显 示器呈现分辨率较低的显示模式时，有两种方式进行显示。第一种为居中显示：例 如在x g a1 0 2 4 x7 6 8 的屏幕上显示s v g a8 0 0 x6 0 0 的画面时，只有屏幕居中的8 0 0 6 0 0 个像素被呈现出来，其它没有被呈现出来的像素则维持黑暗，目前该方法较 少采用。另一种称为扩展显示：在显示低于最佳分辨率的画面时，各像素点通过差 动算法扩充到相邻像素点显示，从而使整个画面被充满。这样也使画面失去原来的 清晰度和真实的色彩。 表1 1 一些常见显示器分辨率 v g a ：v i d e og r a p h i c s a r r a y ( 视频图像分辨率) ；q ：q u a r t e r ( 四分之一) ，w ： w i d e ( 宽) ，s - s u p e r ( 超过) ，x ：e x t e n d e d ( 扩展) ，u ：u l t r a ( 终极) ，h d t v ： h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( 高清晰电视) ；h d t v - p ：p r o g r e s s i v es c a n ( 逐行扫描) h d t v ；h d t v - i ：i n t e r l a c es c a n ( 隔行扫描) h d t v 。 1 1 2 亮度和对比度 亮度( 1 u m i n a n c e ) 表示显示器的发光强度，用每平方米的坎德拉( c d m 2 ，n i t ) 表示。由于l c d 的显示为非发光型，须要藉助外部光源才能达到显示的功能。利用 背光源的l c d 称为透射式l c d ，其亮度通常为2 0 0 - 2 5 0c d m 2 ；而反射式l c d 则是 以环境光源提供所需亮度，因此亮度对于环境光线的依赖性较强。 一个显示画面的内容，只有由像素与像素之间的差别来表现，才能显示出来。 而最简单的差别是亮与暗，其间的差别越大，人眼便越能感知到，如图1 2 所示。 这个差别，可以用最大亮度与最小亮度的比率，作为量化指标，此比例即为对比度 ( c o n t r a s tr a t i o ) 。就图1 2 来比较，( a ) 的对比度 ( b ) 的对比度 ( c ) 的对比 度。目前透射式l c d 的对比度大多集中在4 0 0 ：l 至6 0 0 ：1 的水平上，反射式l c d 的对比度大约只有5 ：1 。2 0 ：1 。 2 图1 2 对比度 ( a ) 像素之间亮暗的差别大；( b ) 像素之间亮暗的差别小；( c ) 像素之间亮暗的差别很小 1 1 3 灰阶和显示色数 像素明暗的差别，最简单的一种是亮暗二元化，但在我们生活的自然界中，影 像并不是只有亮与暗，而是充满了介于其间的明亮程度，为了要重现我们所看到的 自然影像，需要显示出不同的明亮程度，即为灰阶( g r a y l e v e l ) 。自然界的明亮程度 是连续性的，而以显示器重现图像时，并无法做到完全连续，只能从最暗与最亮的 范围内，增加不同明亮程度的层次，即灰阶的数目。为了配合存储器，一般灰阶的 数目是2 n 。以8b i t 的面板为例，它能表现出2 5 6 个灰阶( 2 8 ) 。 自然界的影像除了亮与暗，还有各种不同的颜色。目前的显示技术，每一个像 素都是由红、绿、蓝( r g b ) 三个子像素组成的。由于r g b 三基色的色度在制造 时是固定的，要实现画面色彩的变化，就必须对r g b 三个子像素分别做出不同的 灰阶控制，以“调配”出不同的色彩。显示色数( c o l o r s ) 是指能够显示的颜色的总 数，是用上述每个基色的灰阶相乘而得到。以2 4 b i t 的面板为例，它能表现2 8 2 8 2 5 ( 即1 6 7 m ) 色。 1 1 4 晌应时间 传统的关于液晶响应时间的定义，试图以液晶分子由全黑到全白之间的转换速 度作为液晶面板的响应时间。由于液晶分子“由黑到白 与“由白到黑”的转换速 度并不是完全一致的，为了能够尽量有意义的标示出液晶面板的反应速度，传统的 响应时间的定义，基本以“黑一白一黑”全程响应时间作为标准。小于1 6 m s 的响 应时间足够用于播放视频，当然，液晶显示的黑白响应时间的典型值是8 m s ，1 2 m s ， 1 6 m s 。 3 事实上，屏幕内容不可能只是做最黑与最白之间的切换，而是五颜六色的多彩 画面，或深浅不同的层次变化，这些都是在做灰阶间的转换。为此，灰阶响应时间 ( g r a yl e v e lr e s p o n s et i m e ， g l r to rg r e y - t o g r e y ，g t g ) 的概念就顺应而出了。 需要说明的是，虽然灰阶响应更难控制，需要的时间更长，但近年来，显示制造厂 商通过使用“过驱动( o v e r d r i v e ) ”【4 】液晶驱动加速技术，使灰阶响应时间大为 缩短，已达到平均灰阶6 m s ，4 m s ，2 m s 。 灰阶响应时间与黑白响应时间含义和性质差别很大，两者之间没有明确的对应 关系，但又都是对液晶响应时间的描述。响应时间短，则显示运动画面时就不会产 生影像拖尾的现象。这一点在玩游戏、看动作影像时十分重要。另外，从传统8 m s 到灰阶响应时间4 m s 、2 m s 的提升，不只是直观数字上的简单差距；由于传统8 m s 液晶显示器平均灰阶响应时间接近2 0 m s ，因此这一进步足以称得上是具有划时代意 义的技术跨越。 1 1 5 视角 视角( 可视角度，v i e w i n ga n g l e ) 是指用户可以从不同的方向清晰地观察屏幕 上所有内容的角度，一般定义为最大观察方向与法线的夹角并以对比度变化为参照 标准。当观察角度加大时，该位置看到的显示图像的对比度会下降，当角度增加到 一定程度、对比度下降到1 0 ：1 时，这个角度就是该液晶显示器的最大可视角。液 晶显示器的可视角度包括水平可视角度和垂直可视角度两个指标，目前市场上出售 的l c d 显示器的可视角度都是左右对称的，但上下就不一定对称了，常常是上下角 度小于左右角度。目前市场上大多数产品的可视角度在1 2 0 度以上，部分产品达到 了1 7 0 度以上。 i 气、 秒_ 篓一 懦! 尸獭譬万r 男嘲 、k 。 图1 3l c d 的视角 4 1 2 液晶显示器的工作原理【5 】 1 2 1 液晶及液晶显示的基本概念 液晶( 1 i q u i dc r y s t a l ) 是介于固体与液体之间的一种物质状态，1 8 8 8 年被发现 于欧洲【6 】。它既具有液体的流动性，又在一定程度上具有晶体的有序性。液晶根 据其分子排列的方式，可分为向列型( n e m a t i c ) 、近晶型( s m e t i c ) 、胆甾型 ( c h o l e s t e r i c ) 三大类，近晶型再细分，就按a ，b ，c ，称呼，如图1 4 所示。 可以看出，比起一般液相中的杂乱分子趋向，液晶分子的排列是有序的。一般用于 l c d 的相是向列型的，其长轴方向互相平行，但排列有序性最低。具有这种液晶相 的物质几乎都是有机物，一般具有棒状分子结构。一种化合物有只有一种液晶相的 情况，也有具有相异的多个液晶相得情况。实际用于l c d 的液晶材料是将若干液晶 化合物混合而对种种特性进行了调整的组合物。 向列型近晶型c胆甾型 图1 4 液晶的种类 z l c d 的基本工作原理是基于液晶分子取向变化所带来的电光效应，因而在初始 状态及施加电场时的分子取向就是显示器技术的基础。l c d 种类很多，其显示原理 大同小异，t n ( t 、i s t e d n e m a t i c ，扭曲向列) 型是液晶显示器中最基本也是最早实 用的显示技术，之后其它种类的l c d 也大都以t n 型为基础进行改良，例如s t n ( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ，超扭曲向列) 、d s t n ( d o u b l e - l a y e rs u p e rt w i s t e dn e m a t i c ， 双层超扭曲阵列) 、h t n ( h i g ht w i s t e d n e m a t i c ，高扭曲向列) 、双稳t n 等，目 前t n 也是t f r ( t l l i l lf i l mt r a n s i s t o r ，薄膜晶体管) l c d 中最常用的液晶模式。因 此，现以透射式型t n l c d 说明其显示原理，如图1 4 【7 】所示。 用于t n 模式的向列液晶具有正的各向异性，分子长轴方向平行于基板，但在 5 上下两个基板面上的取向方向互相垂直。未加驱动电压的情况下，基板间的液晶分 子的取向则为连续9 0 。，呈现9 0 。的光学旋光效应，线偏振光的偏振方向旋转了 9 0 。若施加了电压，液晶分子平行于电场方向，扭曲结构解体，线偏振光的偏振 方向在液晶盒中传播时不再旋转，保持原来偏振方向到达输出面。因此，在液晶盒 的两侧分别放置偏振片，若两偏振片的透光轴如图1 4 所示的那样，是正交设置， 则有光输出，称为常白方式；若两透光轴平行设置，则无光输出，称为常黑方式。 图1 4t n l c d 的工作原理 图1 5 液晶盒结构示意图 极 图1 5 为液晶盒的结构示意图，盒内充有液晶；盒中上下玻璃片之间的间隔， 即通常所说的盒厚，由分布的间隔子( 衬垫，s p a c e r ) 来决定，一般为几个微米； 6 上下玻璃片内侧，对应显示图形部分，镀有透明的氧化铟锡( r r o ) 导电薄膜，即 显示电极。电极的作用主要使外部电信号通过其加到液晶上去。i t o 上覆盖一层取 向膜，通常用聚酰亚胺。 1 2 2 驱动方式 液晶显示器的驱动方式大致可分为字段型和矩阵型。 字段型( 直接驱动、静态驱动) l c d 是指以长条笔划状显示像素组成的液晶显 示器件。字段型l c d 以七段显示最常用，如图1 6 所示，也包括为专用液晶显示器 设计的固定图形及少量汉字。字段型l c d 主要应用于计算器、电子表、数字仪表等 中。 图1 6 字段型液晶显示器的显示实例 矩阵型( 图形点阵，动态驱动，多路驱动) 显示方式，是把图1 7 所示的横条 形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极；而把图示的竖 条形状的电极做在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极。把这两块玻璃 片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。 一妒謦簟? 萱囊尊燎劈 毫j 一一：，一0l 一：j ，”，矿。? + j f i i i i i 。： 图1 7 矩阵型液晶显示器的显示实例 矩阵型大致分为无源( 被动，p a s s i v e m a t r i x ) 矩阵型和有源矩阵型( 主动，a c t i v e m a t r i x ) 。所不同的是有源矩阵型在每个像素中都具有一个开关，目前常用的开关是 t f r ，由t f t 来控制每个像素电流的通断。因此，像素之间的电干扰( c r o s s t a l k ) 很小，可以使用大电流，而不会有虚影和拖尾现象。有源矩阵型用于更高性能的显 示目的。 1 2 3 工艺流程【8 】 液晶显示器主要是由i t o 导电玻璃、液晶、偏振片、取向层、封接材料( 边框 7 胶) 、导电胶、衬垫料等组成，其制造全部过程大体分为4 0 多道工序。这些工序又 可分为i t o 图形刻蚀( 光刻) 、取向排列、空盒制作、液晶灌注和成品检测与包装 五个阶段，涉及到许多专门技术。这里按照顺序列出了几个关键工序，如图1 8 所 示。 取向摩擦 分布间隔子上下基板对位压合 r u b b i n g s p a c e rs p r a y a s s e m b l v 灌注液晶 封口 贴偏振片 o - - - - l ci n j e c t i o n e n ds e a l i n g p o l a r i z e ra s s e m b l y 图1 8 液晶盒制作的粗略流程图 1 3 论文研究内容 从技术上讲，自2 0 世纪7 0 年代起，液晶显示器先后经历t n 、s t n 、q s it f r ( t n 模式) ，大型t f t ( i p s ，m v a ，o c b 等模式) 等四个发展阶段，并成功解决 了增大画面尺寸、扩大色域、提高响应速度、提高视角等问题，从而使其应用领域 迅速扩展。液晶显示器件初露峥嵘时，仅仅限于手表、计时器等几种简单产品。时 至今日，液晶显示已经广泛应用于我们生活的各个方面，从小尺寸的手机、摄像机、 数码相机，中尺寸的笔记本电脑、台式机，大尺寸的家用电视到大型户外显示设备 等。随着应用领域的扩大，除了传统的液晶显示技术之外，出现了很多新型的液晶 显示技术，由于这些技术还处于研发阶段，无法预料这些显示技术还将会带来哪些 应用。本论文将主要探讨双稳态、柔性和视角可变等新型液晶显示技术及其应用， 8 组织结构如下： 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 介绍了液晶显示的基本知识，目的是了解液晶显示技术，包括显示 器件的性能参数和液晶显示的原理，为本论文其它章节做铺垫。 比较分析了不同的双稳态液晶显示技术，并选择c l l l c d 用于探索 新的应用。 介绍了柔性显示技术及柔性s t n l c d 在柔性腕表中的应用。 研究了基于宾主型液晶的视角可变器件，包括结构设计、工作原理 及样品测量结果。 总结了本文的研究内容，并指出了下一步的研究方向。 9 第二章双稳态液晶显示 2 1 引言 随着a m a z o n 的k i n d l e 和k i n d l e2 推出，电子书阅读器( e l e c t r o n i cb o o kr e a d e r , e b r ) 引起了人们非常大的关注。据c i t i g r o u p 分析师m a r km a h a n e y 在今年2 月份 预测，k i n d l e 已经销售了大约5 0 万台，而截止到4 月1 6 日，k i n d l e2 已经销售了 将近3 0 万台。省电是e b r 的主要亮点，因为对于便携式设备来讲，屏幕的耗电最 大；另外，e b r 在阳光照射下不反光，满足了户外阅读的需求。 除了k i n d l e 背后的ei n k 显示技术，双稳态( b i s t a b l e ) 液晶显示也显示出快速 的发展势头，与ei n k 为代表的电泳( e l e c t r o p h o r e t i c ，e p ) 显示技术相比较，双稳 态液晶显示一般不需要有源矩阵就可实现大容量的显示，又可兼容当前t n 、s t n 生产线，制作工艺的复杂程度和成本都大为降低。 双稳态液晶显示器是一种存储型的显示器，其特性是在没有驱动的情况下，保 存当前的显示状态。用于这种显示器的液晶分子有两种稳定的排列状态。在每种排 列状态下，撤销驱动电源，都能维持状态不变。把这个特性应用于显示器上，当写 入一帧画面后，撤销驱动电源，显示画面仍能长时间保留在屏幕上。这种特性使得 显示器件无需不断刷新显示信息，因此功耗很低。 可以实现这种双稳态特性的液晶显示模式很多，主要包括z b d ( z e n i t h a lb i s t a b l e d i s p l a y ，顶点双稳显示) 【9 1 ，b i n e m ( b i s t a b l en e m a t i c ，双稳向列) 【l o l ，s s f l c ( s u r f a c e s t a b i l i z e df e r r o e l e c t r i cl i q u i dc r y s t a l ，表面稳定的铁电液晶) 【1l 】以及 c h l c ( c h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a l ，胆甾型液晶) 【1 2 】等。 z b d 和b i n e m 具有与t n 或s t n 相类似的结构，都是填充了向列型液晶，主 要的不同在于利用一个特殊的取向层。z b d 利用的是周期性微光栅结构，现已推出 一系列基于玻璃基板的单色标价系统，并声称其对比度是传统l c d 的三倍，而且响 应速度比其它任何的双稳显示器更快。该公司表示，在每天刷新5 次的使用环境下， 一个纽扣电池可用5 年。根据z b d 提供的产品规格书，工作温度仅为5 - - 4 0 ，远 小于t f t - l c d 所要求的工作温度( - 2 0 7 0 ) ，并且目前彩色显示并非其研制重点。 b i n e m 利用了b i n e m 取向层和具有特殊表面锚定性质的b i n e m 液晶混合物，并具 有更薄的液晶层厚度( 一1 5l am ) ，n e m o p t i c 已经开始商用一系列基于玻璃黑白屏的 e s l ( e l e c t r o n i cs h e l fl a b e l ，电子标签) 和p o p ( p o i n t - o f - p u r c h a s e ，卖点广告) ， 1 0 并推出了一种彩色演示产品b d1 0 0 0 ，然而起工作温度也仅限于为5 - - 4 0 c ，同z b d 一样，目前都还是仅能面向“室温下的应用 。 s s f l c 利用的是手型近晶型c ( s m c * ) 液晶。日本c i t i z e n 是主要的s s f l c d 发展厂商，为了取得可靠的双稳态特性，c i t i z e n 利用s i o 取向膜，并控制液晶层很 薄( 1 2l am ) 。目前c i t i z e n 已经把这种显示屏( 分辨率约为3 3 3 3 ) 应用在型号 p m v 6 52 2 3 1a n dp m v 6 52 2 2 1 的手表上，用于显示时间、日期、温度、深度等信息， 并利用太阳能提供所需电力。但液晶分子的取向部分还是有分子混乱等问题，这将 导致显示不均匀，所以在稍大尺寸屏的商用化方面，仍旧有一段距离。 因此，尽管双稳态显示器件越来越受到市场青睐，但阻碍双稳态技术发展的因 素也不少。相对来说，c h i c d 则是双稳态液晶显示领域中较为成熟的技术，其商用 化程度比较高。本章简述了c h l c d 的工作原理，并给出了c h l c d 的一个应用实例， 包括其系统框架及硬软件设计流程。 2 2c h l c d 工作原理 如图1 4 所示，胆甾型液晶具有层状结构，层内的分子排列与向列型液晶类似， 分子长轴在层内是相互平行的。但相邻两层分子排列方向以z 轴为法向稍有旋转， 分子的排列方向旋转3 6 0 。时的距离称作螺矩，用p 表征，如图2 1 表示。 p 2 图2 1 在半螺距中，液晶分子的旋转和螺旋轴的关系 准确的说，胆甾型液晶这个名字来源于一个历史事实，就是首次观察到的具有 螺旋结构的液晶是一种胆甾醇酯，但胆甾型液晶不限于胆甾醇衍生物。分子具有不 对称碳原子，即所谓手性基团，又具有能呈现向列型的分子，通常都能成为胆甾型 液晶，因此胆甾型液晶也可以叫做手性向列型液晶。向列型液晶中添加少量的胆甾 型液晶、旋光剂或手性液晶，该液晶也能成为胆甾型液晶。为了可以迅速依照要求 调配出可进行不同显示波长以及光电特性的胆甾型液晶，一般来说是以添加旋光剂 于向列型液晶的混合系统为主。 胆甾型液晶有两种稳定态：一种是p ( p l a n a rt e x t u r e ，平面织构) 态，在p 态 下，分子呈螺旋排列，层层连续，螺旋轴垂直于基板的表面，外界光射入后，其中 符合入= n p ( n 为液晶平均折射率) 波长的光会产生很强的布拉格( b r a g g ) 反射， 无电场施加时，p 态可以长时间保持稳定；另一种稳定态是f ( f o c a lc o n i ct e x t u r e ， 焦锥织构) ，在f 态下，分子仍然呈螺旋排列，但是螺旋轴方向散乱，但取向基本 平行于基板。外界光射入后，会产生较弱的散射光。如果液晶盒比较薄，基板透过 率又好，其透过率会很高。无电场施加时，f 态也可以长时间保持稳定。这两个稳 态对外界光，一个能反射，形成亮态，一个能透射，在盒背基板上涂上黑色，将透 射光吸收，就可以形成暗态。如图2 2 所示。 在组成组件上，c h l c d 与一般液晶显示器件一样包含了上下基板、间隔子以及 黑色吸收材质，其中上下基板材质可为玻璃或塑料基板。但由于c l 儿c d 利用的是 b r a g g 反射，是典型的反射性显示器，因此不需要背光源、偏振片等组件，同时又 能实现彩色显示而不需要彩色过滤片，使得制造工艺更为简单；再次，在驱动技术 上，无需采用有源矩阵，因此，可以在现有t n 、s t n 生产线的基础上进行改进【1 3 】， 使其生产成本大大降低。 p 态f 态 图2 2c h l c d 的工作原理 c h l c d 这个领域有许多制造商，主要有肯特显示( k e n td i s p l a y s ，拥有基本专 利) 以及富士通( f u j i t s uf r o n t e c h ，已取得k e n t 授权) 等。k e n t 从9 0 年代中期就 开始从事相关技术的研究，目前的产品线包括：基于玻璃基底的蓝8 、黄黑、绿 1 2 黑等单色点阵显示屏，基于塑料基底的段式显示屏。k e n t 还基于柔性基底，按照红 ( r ) 层、绿( g ) 层、蓝( b ) 层顺序依次形成胆固醇型液晶【1 4 1 。各层之间覆 盖有薄树脂层，即使弯曲，液晶层也不会出现异样，用于电子皮肤( e l e c t r o n i cs k i n s ) ， 目前已经实现了8 种颜色的切换。在日本，富士通获得了k e n t 的技术授权，开发出 了全球第一个彩色电子书f l e p i a 【1 5 】，屏幕尺寸为8 英寸，分辨率1 0 2 4x 7 6 8 ，能 够显示最高达2 6 0 ，0 0 0 色的全彩显示。 c p b l u el a y e r r 。_ _ 嬲黔嘲12 p r o p e t g r 乏 蛩jl a y e r r e 0l a y 曩r a b s o r b i n g l a y e r 2 3c h l c d 的应用 2 3 1 概念设计 图2 3c h l c d 彩色显示结构及f l e p i a o b l u d i s p l a y 图2 4 扩展屏幕b l u d i s p l a y 的概念 根据应用和大小不同，显示器市场可分为电脑、电视及移动设备( 包括m p 3 、 数码相机、便携导航仪及手机) 等几个领域。随着手机等移动设备的功能越来越丰 富，例如阅读邮件、电子书等，人们对移动设备显示屏的分辨率和尺寸要求也越来越 高。但分辨率过高会导致字体较小，而尺寸过大会影响便携性。柔性显示屏是一个 1 3 解决方案，但目前柔性显示器件的性能还不够稳定。因此我们提出扩展屏幕的概念， 该扩展屏幕通过蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术与手机连接，因此我们称之为b l u d i s p l a y ， 如图2 4 所示。由于b l u d i s p l a y 是c h l c d 的一个应用实例，考虑到c h l c d 维持画 面的能力，b l u d i s p l a y 将主要用于显示文字或图片等不需要快速刷新率的信息。 2 3 2 蓝牙技术【1 6 ，1 7 现代通信网络无论有线还是无线都颇为发达，各种通信电缆也五花) k f - j ，不但 办公室中电缆无处不在，随着家用设备的发展，居室也成了充满电缆的世界。从计 算机和打印机的连接到耳机线，以及计算机间的通信电缆、电视机和影视设备的连 接，真可谓丰富多彩。在人们觉得它必不可少的同时，也为人们带来不少伤脑筋的 问题。有线电缆除了诸多使用不便、连线频出故障之外，各种电缆之间也无法通用。 因此，电缆成为现代通信中的美中不足。随着蓝牙技术的诞生，这种状况有望得以 改观。 蓝牙技术是利用短距离无线连接技术来替代目前许多专用的电缆设备，其工作 距离为1 0c m 到1 0m ，但是通过增大发送功率可以将范围扩大至1 0 0m 。目前，蓝 牙无线技术已经嵌入到了许多消费装置中，从而取消了计算机和打印机、手机、传 真机、键盘、游戏棒、耳机之间的连线桎梏。任何其它数字设备也是蓝牙技术潜在 应用的一部分。 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段，其数据速率 为1 m b p s 。为了使其能在噪杂的无线环境中( 例如某些家电、无绳电话、汽车房开 门器、微波炉等等) 工作，使链路安全稳定，蓝牙技术特别设计了跳频展频技术 ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) ，在接收或发送一分组数据后，即跳 至另一频点，避免了其它信号干扰。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频 更快，数据包更短，这使b l u e t o o t h 抗干扰能力更强。前向纠错( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 技术则限制了较长距离链路的无序噪声影响，经优化的编码方式可使蓝 牙技术应用于各种恶劣的无线环境。同时，由于该频段是一种无需申请许可证的无 线电波段，因此，除了设备费用外，使用蓝牙技术不需要支付任何费用。 蓝牙采用一种灵活的无基站的组网方式，支持点对点和点对多点连接。几个蓝 牙设备以主从( m a s t e r - s l a v e ) 方式构成微微网( p i c o n e t ) ，微微网之间以特定方式 构成分布式网络( s c a t t e m e t ) ，每个微微网使用不同跳频序